Evolucijski pomen RNAi

Pomen RNAi

RNAi ima pomembno vlogo v razvoju zarodka, formaciji heterokromatina, posttranskripcijski regulaciji genov, kontroli transpozonov in odpornosti na viruse, v zadnjem času pa se uporablja tudi kot dober pristop pri načrtovanju novih genskih terapij.

RNAi je pomembna obramba proti virusom in transpozonom

Ne le, da RNAi varuje pred virusi z degradacijo virusne RNA, ampak jo lahko gostitelji in virusi uporabijo tudi za manipulacijo ekspresije genov drug drugega. Poleg tega lahko gostitelji kodirajo tudi miRNA, ki cilja na virusna zaporedja. Geni RNA interference, kot komponente prirojenega protivirusnega sistema v mnogih evkariontih, so vključeni v evolucijske tekme z virusnimi geni. Nekateri virusi, predvsem rastlinski, so razvili mehanizme za zatiranje in izogibanje RNAi odgovora v svojih gostiteljskih celicah.

RNAi lahko celice zaščiti tudi pred transpozoni, tako z degradacijo transpozonskih transkriptov kot s preprečevanjem njihove ekspresije preko tvorjenja heterokromatina.

Pojav RNAi v filogenetskem razvoju

RNAi je po do sedaj znanih podatkih stara vsaj milijardo let. Na podlagi filogenetskih analiz je najbližji skupni prednik vseh evkariontov že imel zgodnjo RNAi pot. Odsotnost te poti v določenih evkariontih nakazuje, da je to pridobljena lastnost. RNAi sistem naših prednikov je najverjetneje vseboval vsaj en protein, podoben dicerju, en protein Ago, en protein PIWI in od RNA odvisno RNA polimerazo, ki bi lahko imela tudi druge vloge v celici. Obsežna primerjalna študija genomike nakazuje tudi, da je družina argonavtov (Ago), ki je prisotna v evkariontih, arhejah in nekaj bakterijah homologna in se je prvotno razvila iz komponent, ki sodelujejo pri iniciaciji translacije.

Kot prvotna vloga RNAi sistema je splošno sprejeta vloga v imunski obrambi pred zunanjimi genetskimi elementi, kot so transpozoni in virusni genomi. S tem povezane vloge, kot je na primer modifikacija histonov, so bile verjetno prisotne že v predniku današnjih evkariontov, medtem ko naj bi se druge funkcije (npr. regulacija razvoja z miRNA) vključile in razvile kasneje.

Izvori in evolucija evkariontske interferenčne RNA (RNAi)

Sestavine mikro RNA rastlin in živali so se verjetno razvile ločeno. Ohranitev ključnih proteinov, vključenih v RNAi, namiguje na to, da je zadnji skupni prednik modernih evkariontov (LECA) imel mehanizme, podobne majhni interferenčni RNA (siRNA). Čeprav se strukture in mehanizmi živalskih in rastlinskih miRNA že v osnovi razlikujejo, so enaki ali homologni ključni proteini vključeni v biogenezo miRNA in poti siRNA, kar namiguje na to, da živalske in rastlinske miRNA prihajajo iz enakega, predniškega proto-RNAi sistema, a so se kasneje razvijale v različne smeri, tako da si obstoječ nabor elementov miRNA ni več v sorodu. Prokarionti imajo obrambni sistem, podoben RNAi, ki je funkcionalno analogen, a ni homologen evkariontski RNAi. Proteinski nabor evkariontske RNAi je bil verjetno sestavljen iz predniških proteinov arhejskih, bakterijskih in fagnih izvorov, ki so vpleteni v popravilo DNA in procesno pot RNA.

Ne glede na neverjetno kompleksnost RNAi, obstajajo le trije ključni proteini, ki so vključeni v RNAi:

1. Dicerju podoben protein, ki sestoji iz RNAze III in domen helikaze,

2. Ago-Piwi,

3. od RNA odvisna RNA polimeraza (RdRP).

Raznolikost kompleksov in poti, povezanih z RNAi, ustvarja več paralognih oblik teh proteinov. Te so se pojavile zaradi številnih podvojitev v različnih stopnjah evkariontske evolucije skupaj z veliko pomožnimi proteini.

Upoštevajoč poglavitne razlike v strukturi miRNA rastlin in živali, se zdi verjetno, da je predniški RNAi sistem deloval primarno v obrambi proti virusom in transpozonom. To trditev potrjuje sklep, da je zadnji skupni prednik modernih evkariontov vseboval RdRP. V modernih evkariontih je RdRP primarno prisoten pri ojačitvi siRNA, ne pa tudi v poteh miRNA. Obrambna funkcija RNAi je močno ohranjena pri evkariontih, a so se značilne poti miRNA razvile v živalih in rastlinah, ter mogoče tudi v glivah.

Evolucija evkariontske RNAi sledi istim načelom, ki urejajo evolucijo drugih novejših evkariontskih funkcionalnih sistemov, na primer jedrnih por ali spliceosomov. Evkariontski sistem je sestavljen iz različnih gradnikov prokariontskega porekla, s tem, da je prišlo do precejšnje spremembe v specifičnih funkcijah vsake od sestavin. Kot v drugih evkariontskih sistemih so prve stopnje evolucije RNAi vsebovale spajanje domen in mešanje, ki je vodilo do pojavitve Dicer-ja s fuzijo helikaze in domene RNAze III, ter privzema RNA-vezavne PAZ domene proteina Piwi. Posledično se je vsaka od teh prepoznavnih značilnosti evkariontskih sistemov razvila preko serij podvojevanj, od katerih so nekatere starejše od glavnih evkariontskih rodov in nekatere od teh so specifične za posamezne rodove. Dejstvo, da se je evkariontski sestav RNAi oblikoval iz prokariontskih proteinov, ki so bili udeleženi v popravi DNA in procesni poti RNA, ki ni v sorodu z RNAi, kaže na to, da je bil izvor RNAi v evkariontih neodvisen.

Izvor ključnih proteinov

Zdi se, da prokariontski prednik evkariontske RNAi kot funkcionalen sistem ne obstaja. Vseeno so bili identificirani prokariontski homologi treh ključnih proteinov evkariontske RNAi: Dicer-ja, Ago-Piwi in RdRP-ja. Sekvence vseh treh ključnih proteinov so v evkariontih dobro ohranjene. Povezave teh proteinov v prokariontskih homologih so drugačne. Encimatični domeni Dicer-ja imata pomembne podobnosti zaporedij s prokariontskimi ortologi, ki so splošni v arhejah (helikaza) ali bakterijah (RNAza III). Prokariontski homologi proteinov Ago in RdRP kažejo razpršeno porazdelitev v arhejah in bakterijah, in omejeno, težko zaznavno podobnost zaporedij sestavinam evkariontske RNAi. Med pojavom evkariontske RNAi sta slednja proteina doživela velike mehanske spremembe, kar je verjetno povezano s prehodom iz odvisnosti od DNA na odvisnost od RNA, to pa je vodilo do pospešene evolucije.

Izvor Dicer-ja

Dve encimski domeni Dicer-ja, RNAza III in RNA helikaza iz naddružine II, sta običajni v prokariontih, a je njuna kombinacija v enem proteinu evkariontski označevalec, ki ga imajo vse naddružine evkariontov. Helikazna domena Dicer-ja je specifično povezana z arhejskimi helikazami naddružine II (proteini Hef). Arhajski proteini Hef igrajo pomembno vlogo pri replikaciji DNA.V nasprotju s tem je RNAza III, ki je nukleazna domena Dicer-ja, in je večinoma bakterijskega izvora. V bakterijah je RNAza III vključena v bistvene reakcije procesiranja rRNA in v degradacijo mRNA. Spojitev helikaze in domen RNAze III iz različnih virov je bila ena ključnih zgodnjih dogodkov, ki so vodili v utrditev evkariontskega sistema RNAi.

Izvor Ago-Piwi

Drugi ključni protein, Ago, verjetno prav tako izvira iz arhej, saj so arhajski Ago homologi bolj sorodni evkariontskim, kot bakterijski. Biološke funkcije arhajskih in bakterijskih Ago homologov ostajajo nejasne. Obstajajo dokazi, da so vključeni v preoblikovanje kromatina. Proteini Ago verjetno izvirajo iz osnovne replikacijske mašinerije, kot je bilo predlagano s strukturo domene RNAze (Slicer). Prisotnost več paralogov Argonaute-Piwi v metazojih kaže na to, da imajo živali več kompleksov za utišanje genov, ki jih inducira RNA (RISC). Ti izvajajo sorodne, a ločene biološke funkcije. Proteini Ago so splošno izraženi in se vežejo na siRNA ali miRNA. V nasprotju je ekspresija proteinov Piwi večinoma omejena na zarodne linije, ti proteini pa asociirajo z RNA, ki interagira s Piwi proteini (piRNA) in tako olajšajo utišanje mobilnih genetskih elementov ter zagotavljajo prilagodljivo obrambo v tekmi s transpozoni.

Izvor RdRP

Tretja ključna komponenta RNAi je RdRP, ki si deli skupno poreklo z drugo največjo katalitično podenoto od DNA odvisnih RNA polimeraz. Direktni predniki evkariontskih RdRP so neokarakterizirani bakteriofagni proteini, ki verjetno delujejo kot od DNA odvisne RNA polimeraze.

Evolucija miRNA

Odkrito je bilo na tisoče miRNA genov, a njihov izvor in evolucija ostajata v veliki meri nejasna. Ohranjene družine miRNA so identificirali v veliko metazojih, kar kaže na to, da so se njihove funkcije v evoluciji živali ohranile. Trideset genskih družin miRNA je prisotnih v vseh bilateralnih evkariontih (bilateralnih=ki imajo dve enaki polovici, npr. človek, metulj, riba, …), vendar so bile v sekvenciranem genomu morske vetrnice Nematosella vectensis,ki se je filogenetsko zgodaj ločila od ostalih, odkrite samo tri takšne družine. Velika širitev repertoarja miRNA v bilateralnih evkariontih pomeni, da je povišana od miRNA odvisna genska regulacija občutno prispevala k pojavu zapletenih načrtov evkariontskih teles, ki vsebujejo organe. Nove miRNA so prispevale tudi k funkcionalnim novostim v poznejših stopnjah evolucije (npr. na novo so odkrili skupke miRNA z več kopijami v primatih, a ne v glodavcih ali psih). Podoben dokaz za zgoden evolucijski izvor obstaja za rastlinske miRNA. Dve najstarejši ohranjeni družini miRNA (miR166-miR165 v rastlinah in let-7 v živalih) sta vpleteni v bistvene simetrijske in diferenciacijske procese v razvoju rastlin in živali. Takšna evolucijska ohranjenost je pričakovana za lokuse, ki so vpleteni v osnovne biološke funkcije. Bolj osnoven je proces, ki je reguliran s strani miRNA, večja je verjetnost, da je skupni prednik obstajal in da ga lahko rekonstruiramo. Do zdaj, razen ene izjeme, niso našli še nobenega ohranjenega skupnega prednika (ni bilo križanja kraljestev). Zato sklepajo, da imata ta dva sistema samostojen izvor in razvoj.

Adaptacija RNAi genov med filogenetskim razvojem D. Melanogaster

Študije razvojnih stopenj pri Drosophili melanogaster so pokazale, da so mnogi geni RNAi poti pod vplivom močne usmerjene selekcije. S primerjavo zaporedja DNK iz različnih vrst Drosophile so znanstveniki pokazali, da je stopnja evolucije aminokislin znatno višja pri genih, ki so povezani s funkcijo protivirusne RNAi (Dcr2, R2D2 in Ago2). Ti geni so med najhitreje razvijajočimi se 3% vseh genov Drosophile in se zato razvijajo bistveno hitreje od drugih komponent naravne imunosti. Geni RNAi imajo dokazano eno najvišjih stopenj adaptivnih proteinsko kodiranih sprememb od vseh genov, povezanih z imunskim sistemom. Adaptacijska evolucija se najverjetneje sproži zaradi tekme, ki obstaja vse od nastanka RNAi in kaže na koevolucijo virusnih faktorjev in primarnih gostiteljskih molekul.

Na podlagi podatkov o polimorfizmu DNA treh vrst Drosophile so testi pokazali, da je hiter razvoj RNAi genov posledica močne pozitivne selekcije. Poleg tega primerjava genov Dcr2 in Ago2 kaže manjšo genetsko raznolikost od pričakovane, kar bi lahko pomenilo, da je pred nedavnim prišlo do selekcijskega čiščenja obeh genov. Ti podatki kažejo, da pri Drosophili poteka hitra adaptivna evolucija antivirusne RNAi poti. To je značilno za tekmovanje med gostiteljem in patogenom ter pomeni, da je stari boj med RNA virusi in gostiteljevimi protivirusnimi RNAi geni še vedno aktualen in pomemben pri funkciji RNAi.

Viri

1. Darren J. Obbard et al. Natural Selection Drives Extremely Rapid Evolution in Antiviral RNAi Genes. Current Biology, 2006, letn. 16, št. 6, str. 580–585.

2. Bryan Kolaczkowski et al. Recurrent adaptation in RNA-interference genes across the Drosophila phylogeny. Molecular Biology and Evolution, 2011, letn. 28, št. 2, str. 1033-1042.

3. Heriberto Cerutti in J. Armando Casas-Mollano. On the origin and functions of RNA-mediated silencing: from protists to man. Current Genetics, 2006, letn. 50, št. 2, str. 81–99.

4. CC Mello. Return to the RNAi world: rethinking gene expression and evolution. Cell Death and Differentiation, 2007, letn. 14, str. 2013–2020.

5. Svetlana A. Shabalina in Eugene V. Koonin. Origins and evolution of eukaryotic RNA interference. Trends in Ecology & Evolution, 2008, letn. 23, št. 10, str. 578–587.

6. Wikipedia. RNA interference [online].28.3.2012 [citirano 31.3.2012]. Dostopno na: RNA interference